基于GPRS的遠程無線串口通訊系統(tǒng)設計

徐 晶，聶思兵，陳 陣，張 鏝，楊濟寧

(1.內(nèi)江師范學院計算機科學學院(人工智能學院)，四川 內(nèi)江 641100; 2.內(nèi)江職業(yè)技術學院，四川 內(nèi)江 641111)

0 引言

當今大數(shù)據(jù)時代，大量數(shù)據(jù)不斷的由數(shù)據(jù)采集終端產(chǎn)生至服務器便于后續(xù)存儲分析[1]，隨著人工智能的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集終端由靜態(tài)終端不斷向運動的智能設備轉(zhuǎn)變，如四軸飛行器、手持設備[2]等。應用環(huán)境的變更要求數(shù)據(jù)采集終端必須接入網(wǎng)絡。擁有有線網(wǎng)絡技術和移動通信技術的電信網(wǎng)絡通信技術成為了入網(wǎng)的核心技術[3]。

采用高端處理器的數(shù)據(jù)采集終端，多數(shù)使用處理器自帶的以太網(wǎng)模塊[4]，外加網(wǎng)絡接口和網(wǎng)線，便可成功接入網(wǎng)絡，但其價格昂貴，雖能將數(shù)據(jù)發(fā)送至服務器，但受網(wǎng)線牽制，難以適應復雜的運動環(huán)境中的傳輸任務。而采用低端處理器的數(shù)據(jù)采集終端，僅能使用串口進行數(shù)據(jù)通信，面對當今終端與服務器的交互場景將面臨淘汰，若更換高端芯片，需對整個終端進行重新設計，成本較高。

為低成本使老舊設備方便快捷的擁有無線通信功能，同時促進低端芯片滿足復雜運動環(huán)境，本文設計基于GPRS的遠程無線串口通訊系統(tǒng)[5,6]，只需將數(shù)據(jù)采集終端的串口與系統(tǒng)相聯(lián)，直接使用串口程序便可與服務器進行交互。

1 系統(tǒng)設計原理

本系統(tǒng)主要由STM32通過AT指令對GPRS模塊進行配置初始化，使其工作在TCP模式，方便與服務器終端進行數(shù)據(jù)交互。當STM32接收到服務器終端發(fā)送的數(shù)據(jù)后，會將收到的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給與之連接的遠程數(shù)據(jù)采集終端，當接收到遠程數(shù)據(jù)采集終端通過串口發(fā)送的數(shù)據(jù)時，會將數(shù)據(jù)通過GPRS模塊轉(zhuǎn)發(fā)給服務器終端。整個系統(tǒng)的系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖

如圖1所示，本系統(tǒng)主要包含電源模塊、GPRS模塊、CPU模塊、存儲器模塊、顯示模塊，系統(tǒng)接口模塊。其中，電源模塊為整個系統(tǒng)提供電壓；GPRS模塊為系統(tǒng)提供無線遠程通訊功能；存儲器模塊核心部件為AT24C02，存放整個系統(tǒng)的初始化參數(shù)，系統(tǒng)啟動時會從存儲器模塊中讀取初始化參數(shù)，該參數(shù)可通過串口發(fā)送約定的命令進行修改；顯示模塊負責顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)；系統(tǒng)接口模塊可提供系統(tǒng)與外部終端的物理接口以及電平轉(zhuǎn)換功能；CPU模塊選用STM32作為系統(tǒng)的核心部件，將系統(tǒng)的其他模塊連接在一起，實現(xiàn)系統(tǒng)的遠程串口通訊功能。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 GPRS模塊與CPU模塊

GPRS模塊主要由SIM900A作為核心部件，SIM900A采用了ARM926EJ-S架構(gòu)，可通過串口協(xié)議發(fā)送AT命令進行控制，與CPU模塊直接相連。SIM900A的TXD與STM32串口2的RXD相聯(lián)，SIM900A的RXD引腳與STM32串口2的RXD相聯(lián)，STM32通過串口2發(fā)送AT指令配置SIM900A進入GPRS的TCP工作模式，并將工作狀態(tài)通過顯示模塊顯示，外部終端通過串口與本系統(tǒng)正確連接，便無需再用AT命令對SIM900A進行配置，只需進行串口數(shù)據(jù)的收發(fā)，便可實現(xiàn)與配置的服務器進行數(shù)據(jù)交互。

2.2 接口模塊與CPU模塊

接口模塊的核心為SP3232芯片和SP3485芯片，SP3232芯片工作電壓為3.3V，可將TTL電平轉(zhuǎn)換為232電平，作為芯片與電腦等設備通信的橋梁。SP3485芯片工作電壓為3.3V，可通過串口實現(xiàn)485半雙工通信。系統(tǒng)接口模塊與主控芯片STM32單片機之間使用跳線連接，可通過跳線靈活的選擇不同的系統(tǒng)接口或通信協(xié)議工作。接口模塊采用D型9針串口和接線端子的物理接口，方便外部終端設備相聯(lián)。

2.3 電源模塊

如圖2，電源模塊主要使用MP2303芯片和AMS117-3.3芯片。MP2303芯片輸入電壓為4.75V～28V，可適應大部分場景供電，在終端設備可提供足夠功率時，則直接從終端設備連接供電，在終端設備無法提供足夠功率時，可使用備用電池等進行供電。SIM900A需提供3.2V～4.8V的電源，故將MP2303芯片的輸出電壓設置在4.8V，其最大能提供3A的電流，可滿足SIM900A的最大供電需求。AMS1117-3.3V通過二極管將MP2303的輸出電壓作為輸入電壓，為剩余模塊進行提供電源。

圖2 電源原理圖

3 軟件設計

3.1 初始化程序

系統(tǒng)初始化程序負責整個系統(tǒng)的初始化操作，如圖3，首先進行中斷優(yōu)先級的初始化；隨后延時函數(shù)初始化；然后將串口1、3初始化至SIM900A的最高波特率115200；接著判斷是否存在LCD，存在則進行LCD的初始化，否則跳過進入內(nèi)存池初始化，至此STM32的初始化工作完成。接著進行STM900A的初始化工作，首先檢測SIM900A模塊是否存在，若不存在，在LCD屏幕顯示或電腦串口打印錯誤提示，若SIM900A存在則進行SIM卡的檢測，如SIM卡存在問題則給出錯誤提示，如SIM正常便連續(xù)執(zhí)行AT+CGATT、AT+CIPCSGP等指令，將GPRS模塊設置為TCP的CLIENT工作模式，最后將串口波特率、工作模式、本機IP及端口號、服務器IP地址及端口號顯示在LCD屏幕或發(fā)送至串口。

圖3 初始化流程圖

3.2 主程序

系統(tǒng)主程序主要完成串口數(shù)據(jù)的交互工作和SIM900A的心跳維持。如圖4，首先通過串口2的RX_STA判別串口2是否接收到終端的數(shù)據(jù)，如沒有接收到數(shù)據(jù)，將延時10ms后通過判別串口3是否接收到來自SIM900A的數(shù)據(jù)，若沒有，程序結(jié)束，繼續(xù)循環(huán)。當串口2的RX_STA為1，則串口2接收到終端的數(shù)據(jù)，隨后進行解析，查看是否包含配置字段，若包含則將數(shù)據(jù)解析后寫入存儲器模塊，再次重啟時完成新參數(shù)的配置更新，如沒有包含配置字段，則進行SIM900A心跳檢測，若不正常，則發(fā)送命令回復心跳，在心跳正常時將數(shù)據(jù)發(fā)送至串口3，數(shù)據(jù)便會通過SIM9000A發(fā)送至服務器，在此過程中會檢測數(shù)據(jù)是否發(fā)送成功，沒有發(fā)送成功時將繼續(xù)發(fā)送至成功。在檢測到串口3的RX_STA最高位為1時，則SIM900A接收到來自服務器的數(shù)據(jù)，STM32會通過USART2的SR檢查其是否空閑，在其空閑時將串口3收到的數(shù)據(jù)通過串口2轉(zhuǎn)發(fā)給終端設備。

圖4 主程序流程圖

4 系統(tǒng)調(diào)試

4.1 硬件調(diào)試

首先通過調(diào)整天線匹配電阻使得天線阻抗為50Ω，隨后進行VCC和GND短路檢測，接著檢測STM32與SIM900A的地線是否均已連接到GND。然后檢查STM32與SIM900A、STM32與接口模塊的串口通信線是否連接正確，上電后，用萬用表測試各模塊工作電壓是否正常，至系統(tǒng)正常啟動顯示信息。

4.2 軟件測試

使用串口線將本系統(tǒng)與電腦連接，在串口調(diào)試助手選擇相應的串口號，設置相應的波特率，在網(wǎng)絡調(diào)試助手選擇TCP Server協(xié)議；通過串口調(diào)試助手發(fā)送命令配置服務器IP地址后重啟系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡調(diào)試助手發(fā)送信息，在串口調(diào)試助手可收到相應的數(shù)據(jù)，在串口調(diào)試助手發(fā)送信息，在網(wǎng)絡調(diào)試助手可收到相應的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)通訊正常。圖5為串口調(diào)試助手收發(fā)數(shù)據(jù)的測試界面，圖6為網(wǎng)絡調(diào)試助手收發(fā)數(shù)據(jù)的測試界面。

圖5 串口調(diào)試助手測試界面

圖6 網(wǎng)絡調(diào)試助手測試界面

5 結(jié)語

系統(tǒng)經(jīng)過硬件電路設計與調(diào)試、軟件設計與測試，最終實現(xiàn)基于GPRS的遠程串口通訊系統(tǒng)，本系統(tǒng)成本低，使用時僅需將系統(tǒng)和終端設備的串口線和地線連接，便可通過串口代碼將數(shù)據(jù)傳輸至遠端服務器，使用方便快捷，不僅可以縮短開發(fā)調(diào)試環(huán)節(jié)時間，也可作為產(chǎn)品應用的無線通訊工具。